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[分享] 中国航发关键技术获重大突破 不拆开发动机就能检测

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上材NDT杂志 发表于 2018-12-29 13:38:23 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
 


在航空发动机高速运转状态下, 发动机内部叶片高速旋转, 高温气体高速流动、气体压力也急剧增加。在这样恶劣的环境中, 实现对内部结构的无损检测,一直以来是发动机设计研究领域的世界性难题。例如:在第三代大推力航空发动机设计定型投产后,曾多次发生不明原因的重大故障,由于没有先进的内部无损检测系统,不得不依靠工人师傅将全部发动机部件进行手工拆解,用仪器检测排除怀疑故障后再人工组装起来重新试车。

根据公开报道,曾多次荣获国家荣誉称号,对本单位发动机生产组装了如指掌的国家一级高级技师(比科学家还稀少)工人团队,22天时间“连轴转”,也只才拆了9台发动机。


即使这样,有时也很难发现那些只有在发动机运行时才会出现的问题。如果在战争环境或国际局势高度紧张的情况下发生上述情况,后果将不堪设想。传统测试方法由于无法实现直接发现故障原因, 而且测量的准确性也得不到保证,因此实现对航空发动机内部结构的非接触式、高精度测量, 提高国内发动机研制水平, 是我国航空工业的迫切需要,也是航空工业许多专家和有识之士数十年的愿望。

X射线成像、CT成像在人体检查及疾病诊断中的重要作用和地位早已经为人们所熟知,同样,高能X射线测试系统在航空发动机试验和故障诊断方面也是行之有效的方法和手段。与人体X成像不同的是,航空发动机X射线数字成像系统由于要透过数厘米厚的金属或非金属进行内部实时动态成像,因此辐射能量可达人体X成像的100多倍,因此被称为高能X射线测试系统。


采用高能X射线测试系统能很方便地观察和测量航空发动机任意部位、任何运行状态下的内部工件的微变情况,甚至可测量发动机的高速颤振情况,为发动机设计调试和改进提供重要数据。同时也可进行极高精度的静态成像,及早发现由机械力和热应力引起的零部件变形、松动及叶片裂纹等可能引起严重后果的事故隐患。高能X射线测试系统也可间接大幅提高航空发动机的推力和性能。

例如该奖项所述发动机动态转静子间隙变化就是一例。对叶尖间隙进行有效的控制,可以显著的降低航空发动机的油耗和排气温度,叶尖间隙每增加叶片长度的1%,发动机效率约降低1.5%,耗油率约增加3%,发动机全寿命费用增加2%。假设某第四代航空发动机不修改任何设计,仅仅把发动机动态转静子间隙减小2%,发动机推力就可能增加400-500公斤,排气温度降低40-50℃,大幅提升战斗机性能,延长超音速巡航时间。

假设大推力高涵道比运输机用发动机动态转静子间隙减小2%,该发动机油耗就会减少4至6%,飞行航程将会更远。但叶尖间隙设计过小,将增加叶片与机匣碰撞摩擦的概率,导致零部件损坏,影响发动机安全性和使用寿命。由于航空发动机高速运转过程中会产生高温、高压、形变等问题,传统的各种测量方法均受到一定的局限。所以航空发动机叶尖间隙尺寸的测量一直是困扰我国发动机研究人员的一项重要的技术难题。采用高能X射线辐射成像方法进行转子叶尖间隙的检测,具有非接触和检测图像直观的优点,使我国航空发动机的检测技术获得质的飞跃。

英国著名的航空发动机研制厂商劳斯莱斯(Rolls-Royce)公司最早将高能X射线用于航空发动机试验中,该公司公司在80年代就研制出高能X射线实时显示与处理系统。劳斯莱斯公司已在其研制的数十种机型,数百台各种发动机原型机上使用了高能X射线测试系统,大幅加快了研制进度,取得了十分显著的经济和社会效益。

美国通用电气公司公司、法国斯奈克玛公司经过技术交流,也通过引进或独自研制把高能X射线测试系统应用在自己的新型航空发动机研制中。现在西方主要的航空发动机公司的高能X射线测试系统的设备已很完备,其试验技术也已相当成熟。

美国最近已经把该系统用于观察超燃冲压发动机内部油气混合燃烧时的动态图像,来了解燃烧室内部的基本流体特性和燃烧化学等关键知识,帮助该国在高超声速科研体系赶上中俄两国。有关资料称,俄罗斯在航空发动机试验中尚未使用高能X射线测试系统来进行研究。

我国的有关科研机构研制的高能射线数字成像系统已经进行了一系列发动机成像检测实验。从发动机检测图像中,科研人员可以清晰辨识发动机内部结构和发动机工作状态的变化情况。并且图像经过处理后, 可以得到某些急需的关键结构参数在发动机不同工作状态下发生变化的准确数据,为我国新型航空发动机的研发设计提供了重要参考和依据。

来源:未来巡航者

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